青藏高原北部移动冰丘破坏桥墩的数值模拟

青藏高原北部常年冻土区断裂破碎带发育的移动冰丘对桥梁、涵洞、输油管道等工程设施具有不同形式的破坏作用。考虑移动冰丘与工程设施的相互作用,根据野外观测和实验资料设计模型,应用三维有限元数值模拟方法,计算移动冰丘冻胀产生的位移场、应力场和桥墩弯曲应力,分析桥墩破裂机理。结果表明,移动冰丘能够产生11～-21 MPa的轴向应力和15～-31 MPa的主应力,在桥墩周围形成不同规模的应力集中区,导致桥墩发生显著偏移。桥墩的偏移和弯曲能够在桥墩内部产生高达61.9～64.6 MPa的张应力和-45.0～-49.0 MPa的压应力,超过桥墩的强度极限。在粗细桥墩连接部位,外侧形成张应力集中区,最大张应力达26～30 MPa;内侧形成压应力集中区,最大压应力达-25～-28.8 MPa。粗细桥墩连接部位外侧的张应力超过了钢筋混凝土的抗张强度,产生与野外观测资料基本吻合的桥墩破裂和结构破坏。移动冰丘导致桥墩变形破坏的三维有限元数值模拟能够为常年冻土区桥梁工程设计和地质灾害防治提供力学参数和科学依据。     

青藏高原北部铁路沿线移动冰丘的特征及其灾害效应

青藏高原北部常年冻土地区部分断裂破碎带发育移动冰丘.青藏铁路沿线典型移动冰丘包括不冻泉活动断裂诱发移动冰丘、乌丽活动断裂诱发86道班移动冰丘、二道沟盆南断裂破碎带桥梁施工诱发雅玛尔河移动冰丘、断裂破碎带桥基施工诱发83道班移动冰丘和乌丽盆北断裂破碎带DK1202 668大桥中部桥墩施工诱发85道班移动冰丘.移动冰丘的形成演化与活动断裂、地下水运动、气温变化存在动力学成因联系,是青藏高原北部常年冻土地区内动力与外营力相互耦合的标志和产物.移动冰丘能够穿刺公路路基、拱曲破坏涵洞结构、导致桥梁墩台破裂和输油管道拱曲变形,产生显著的灾害效应,成为高寒环境地质灾害的重要类型.采用适当的工程措施,通过疏导、排放地下泉水,能够有效地防治移动冰丘及灾害效应.     

青藏高原北部铁路沿线移动冰丘的特征及其灾害效应

青藏高原北部常年冻土地区部分断裂破碎带发育移动冰丘。青藏铁路沿线典型移动冰丘包括不冻泉活动断裂诱发移动冰丘、乌丽活动断裂诱发86道班移动冰丘、二道沟盆南断裂破碎带桥梁施工诱发雅玛尔河移动冰丘、断裂破碎带桥基施工诱发83道班移动冰丘和乌丽盆北断裂破碎带DK1202+668大桥中部桥墩施工诱发85道班移动冰丘。移动冰丘的形成演化与活动断裂、地下水运动、气温变化存在动力学成因联系,是青藏高原北部常年冻土地区内动力与外营力相互耦合的标志和产物。移动冰丘能够穿刺公路路基、拱曲破坏涵洞结构、导致桥梁墩台破裂和输油管道拱曲变形,产生显著的灾害效应,成为高寒环境地质灾害的重要类型。采用适当的工程措施,通过疏导、排放地下泉水,能够有效地防治移动冰丘及灾害效应。     

青藏高原北部铁路沿线移动冰丘的特征及其灾害效应

青藏高原北部常年冻土地区部分断裂破碎带发育移动冰丘.青藏铁路沿线典型移动冰丘包括不冻泉活动断裂诱发移动冰丘、乌丽活动断裂诱发86道班移动冰丘、二道沟盆南断裂破碎带桥梁施工诱发雅玛尔河移动冰丘、断裂破碎带桥基施工诱发83道班移动冰丘和乌丽盆北断裂破碎带DK1202 668大桥中部桥墩施工诱发85道班移动冰丘.移动冰丘的形成演化与活动断裂、地下水运动、气温变化存在动力学成因联系,是青藏高原北部常年冻土地区内动力与外营力相互耦合的标志和产物.移动冰丘能够穿刺公路路基、拱曲破坏涵洞结构、导致桥梁墩台破裂和输油管道拱曲变形,产生显著的灾害效应,成为高寒环境地质灾害的重要类型.采用适当的工程措施,通过疏导、排放地下泉水,能够有效地防治移动冰丘及灾害效应.     

青藏高原北部不冻泉移动冰丘及灾害效应

不冻泉移动冰丘发育于青藏高原北部常年冻土区断裂破碎带,2001年仅在青藏公路东南侧形成1个小型冰丘,2002年在青藏公路西北侧形成低矮冰丘群,2004-2005年发展成为大型冰丘群,2006年移动冰丘的发育高度和分布范围进一步增大。不冻泉移动冰丘不仅穿刺青藏公路路基,破坏青藏公路桥涵结构,蚕食青藏公路路堤,影响青藏公路的交通安全;而且导致输油管道拱曲变形,诱发地面塌陷和地裂缝,产生显著的灾害效应。采用适当的工程措施,通过地下疏导或地表排放沿断裂破碎带上涌的地下泉水,能够有效减轻或防治不冻泉移动冰丘的灾害效应。     

青藏铁路沿线83道班移动冰丘及工程治理

青藏铁路沿线发育6个典型移动冰丘,冰丘冻胀对线路工程具有严重破坏作用,导致桥墩扭裂、涵洞破裂与输油管道弯曲变形,产生显著的灾害效应。83道班移动冰丘发育于二道沟盆地南侧两组断层的交叉复合部位,属断层破碎带桥基施工诱发移动冰丘;夏季表现为上涌泉水,形成泉坑;冬季形成厚度达0.5m的冰幔和高达2.5m的冰丘,产生了比较严重的灾害隐患。在泉水富集部位,通过修筑堤坝、泉水池和排水通道,改变了泉水的运移路线,消除了移动冰丘及灾害隐患,确保了83道班铁路大桥的工程安全,为青藏铁路沿线移动冰丘的工程防治积累了成功经验。     

寒区输油管道基于应变设计的极限状态研究

寒区输油管线沿线地质环境复杂,滑坡、冻胀、融沉等自然灾害会导致管道形成大差异变形量.而差异变形量所引起的应力应变行为直接影响管道的安全服役性能,严重时会使管道破坏失效.基于寒区输油管道在实际服役工况下的受力变形条件,充分考虑冻胀效应、油压效应和热应力效应对输油管道的影响,分析了不同长度、壁厚、油压条件下轴向拉伸应变的分布规律及其影响因素.基于轴向应变设计理论准则,建立了上述条件下输油管道的极限服役状态,得到了对应状态下输油管道的许应最大极限冻胀变形量.结果分析表明,采用基于应力的设计准则偏保守,采用基于轴向应变的设计准则能更多的利用管材的变形性能.可为管道的合理设计、安全评价、完整性管理提供一定的理论参考.     

青藏铁路沿线断裂活动的灾害效应

青藏铁路沿线发育大量不同方向、不同性质、不同类型和不同规模的活动断裂。这些活动断裂对地震分布具有显著的控制作用,形成了12条区域性地震构造带。一些重要的活动断裂的平均运动速度达4～15mm/a,能够孕育6～7级以上的强烈地震,导致严重的地震灾害。在青藏高原北部常年冻土区,断裂活动不仅导致路基变形、路面破裂和工程破坏,还诱发不均匀冻胀、构造裂缝和移动冰丘等地质灾害,对青藏铁路、青藏公路和输油管道等线路的工程安全产生不良影响。断裂蠕滑运动与地下水活动、不均匀冻胀的耦合效应使青藏公路安多段路基松动和路面强烈变形,对青藏铁路的工程安全造成潜在威胁。     

多年冻土区输油管道工程中的(差异性)融沉和冻胀问题

多年冻土区石油和经济开发不断推动输油管道技术的发展,但是多年冻土区输油管道的(差异性)融沉和冻胀问题仍是关键性难题.寒区管道设计和施工必须考虑沿线的地形和环境条件对冻胀和融沉,以及相应的管道工程基础和结构整体性的影响.阿拉斯加输油管道工程取得成功的原因在于充足的科研投入、讨论和决策时间,以及最终采用的一系列创新设计来保护多年冻土和抑制融沉.这些研究围绕的关键问题是温热油管在多年冻土中的水热效应和差异性融沉和冻胀所导致的管道变形破坏,这些研究对可能出现问题的及早发现、充分理解和正确预测以及最终合理的设计、施工和维护至关重要.罗曼井和格拉线环境温度输油管道在20a左右的运营中,冻胀和融沉都比较显著.准确预测管道和围岩土的冻胀和融沉需要详细的观测研究和模拟试验相结合.在预测的基础上,针对具体问题抑制融沉和冻胀.成功设计、施工和运行寒区输油管道需要科学家、工程师、业界人士和管理部门密切合作.     

管道穿越滑坡下静力学与数值模拟对比分析

以管道横穿一滑坡工程实例为背景,利用ANSYS有限元分析软件建立管道横穿滑坡的力学数值模拟模型,采用FLAC3D软件对管道受力变形进行模拟研究,并采用静力学解析计算的方法,对管道变形受力状态进行分析研究,获得了管道临界破坏时管道的应变及应力和滑坡位移等特征。两种分析方法结果基本一致,结果均表明:管道横穿滑坡时,管道两端最易发生破坏。滑坡体管道正中部位变形最大,两侧变形变小,挠度变形曲线表现为正态分布;管道两端应力最大,中部正弯两侧负弯,和两端固定简支梁承受均布荷载弯矩形态一致。在静力学分析的基础上进行数值模拟分析对管道地质灾害的预测预警更准确。      

Numerical modeling of stress and strain associated with the bending of an oil pipeline by a migrating pingo in the permafrost region of the northern Tibetan Plateau

Small seasonal pingos formed in Quaternary deposits along active fault zones in permafrost of the northern Tibetan Plateau exert destructive forces to oil pipelines, bridges, culverts and other engineering facilities along the Golmud–Lhasa railway and highway. The pingos are particularly hazardous as they change position, or migrate, nearly every year. Three-dimensional finite element modeling reveals the enormous force from exerted by a pingo at the 86th station of the highway. A good representation of the stress and strain fields resulting from an expansion of a pingo and bending of an oil pipeline at the station are calculated after due consideration of the interaction between permafrost, pingo and pipeline. This followed establishing an engineering-geologic model from the field data and determining the mechanical properties of the media from field and laboratory tests. The maximum, intermediate and the minimal principal compressive stresses are calculated as well as those for the plastic strain. Concentrations of principal stress and plastic strain occur beneath the pipeline bend and both the principal compressive stress and resulting plastic strain become very small away from the pingo. Also, the bottom of the pingo is dominated by minimal values of principal stress and strain and the potential bending of a buried pipe caused by an expansion of a pingo is indicated to decrease as depth of burial increases.The pingo growth at the 86th station resulted in the bending upward of a 20m section of a buried oil pipeline, but it did not break and spill oil. Analysis of the pipe within the bend found the maximum, intermediate, and minimal principal compressive stress ranges that leads to plastic strain within the bent pipe. Compressive stress and plastic strain concentrations form in the inner sides of inflexions in the pipe bend, and tensional stress and plastic strain concentrations form in their outer sides where stress exceeds the yield limit of the pipe, but many irregularities are present. Such numerical modeling of stress and strain may offer key parameters for designing oil pipelines and engineered facilities to decrease the hazard from migrating pingos in similar geologic settings in the permafrost of the northern Tibetan Plateau.     

Migrating pingos in the permafrost region of the Tibetan Plateau, China and their hazard along the Golmud–Lhasa railway

Most pingos in the permafrost region of the high northern Tibetan Plateau form along active fault zones and many change position annually along the zones and thus appear to migrate. The fault zones conduct geothermal heat, which thins permafrost, and control cool to hot springs in the region. They maintain ground-water circulation through broken rock in an open system to supply water for pingo growth during the winter in overlying fluvial and lacustrian deposits. Springs remain after the pingos thaw in the summer. Fault movement, earthquakes and man's activities cause the water pathways supplying pingos to shift and consequently the pingos migrate.

The hazard posed to the new Golmud–Lhasa railway across the plateau by migrating pingos is restricted to active fault zones, but is serious, as these zones are common and generate large earthquakes. Pingos have damaged the highway and the oil pipeline adjacent to the railway since 2001. One caused tilting and breaking of a bridge pier and destroyed a highway bridge across the Chumaerhe fault. Another has already caused minor damage to a new railway bridge. Furthermore, the construction of a bridge pier in the North Wuli fault zone in July–August 2003 created a conduit for a new spring, which created a pingo during the following winter. Measures taken to drain the ground-water via a tunnel worked well and prevented damage before the railway tracks were laid. However, pier vibrations from subsequent train motion disrupted the drain and led to new springs, which may induce further pingo growth beneath the bridge.

The migrating pingos result from active fault movement promoting artesian ground-water circulation and changing water pathways under the seasonal temperature variations in the permafrost region. They pose a serious hazard to railway construction, which, in turn can further disturb the ground-water conduits and affect pingo migration.     

基于弹性地基梁理论的冻胀作用下管道应力分析

穿越冻土区的埋地管线在遭遇冻土差异性冻胀时,管道会发生翘曲变形,管线将面临很大的安全隐患。为此,基于弹性地基梁理论建立冻胀条件下的管-土相互作用模型,分析了管道在冻胀及其影响因素作用下的应力分布规律,探讨了冻土地基特性（弹性模量、泊松比及地基系数）与温度的关系,对比了不同地基系数、冻胀量、管径、壁厚、温差以及上覆土厚度等特定条件下的管道应力峰值状况。计算结果表明：管道在过渡段与冻胀段及非冻胀段交界处有最大应力值,各类影响因素对管道交界处的应力影响最显著;地基系数的值越大,差异性冻胀量越大,管径越大,温差越大,管道交界处应力峰值也越大;管壁越厚,在管道交界处的应力峰值越小;管道上覆土层越厚,管道受冻胀作用弯曲应力越小,即加深上覆土层可降低管道由于冻胀抬升所产生的应力,可减缓管道变形。     

采空区输气管道弹性变形分析

近年来输气管道工程的大规模建设,其不可避免地要通过一些煤矿采空沉陷区和地质构造复杂区域。煤矿采空沉陷区的地表移动变形必然会使上覆的输气管道发生变形、甚至破坏,因此,分析与预测煤矿采空区地埋输气管道的安全性具有重要意义。本文以西气东输一线为例,依据弹性理论分析计算,当管道下伏分别为土体和岩体时,输气管道破坏时的岩土体垮塌宽度,并统计在垮塌影响范围一定的条件下,岩土体垮塌宽度与管道变形及最小曲率半径之间的规律。结果表明,管道的弯曲变形与垮塌宽度之间呈递增关系。     

基于贡献率模型的管道河(沟)道水毁灾害危险性评价指标体系

西南管道公司辖区内管道沿线地质环境条件复杂,地质灾害频发,由此导致的事故时有发生。以西南管道沿线119处典型河(沟)道水毁灾害为例,通过灾害影响因素分析,初步确定评价指标体系备选指标因子,利用贡献率模型,通过样本统计、分析,完成河(沟)道水毁灾害影响因子的因子间与因子内部敏感性分析。按照敏感性高低将影响因子划分为高敏感、中等敏感、低敏感三个级别。最终保留中等、高敏感因子中可以通过野外调查手段获取的洪水位变幅、岩土类型、土体状态、岸坡类型、河沟纵坡降、河沟道变形、河岸坡度等7个因子,作为油气管道河(沟)道水毁灾害危险性评价指标。